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4o trimestre 2020 · N.o 102 · 6,90 € · investigacionyciencia.es

TEMASLos monográficos de

NEUTRINOSHISTORIA

El problema de los neutrinos solares

FÍSICA FUNDAMENTAL

Partículas mutantes

COSMOLOGÍA

Los neutrinos y el universo

NUEVA FÍSICA

¿Existen los neutrinos estériles?

ESPECIAL

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Presentación

Neutrinos 1

Una hipótesis fecunda

Tales palabras se le atribuyen a Wolfgang Pauli tras haber pro-puesto la existencia del neu-trino. En una carta enviada el

4 de diciembre de 1930 a varios colegas de profesión, el físico austríaco exponía «una solución desesperada» para sortear la preocupante violación de la conserva-ción de la energía que parecían exhibir algunas desintegraciones radiactivas. Para Pauli, dicha ley podía salvarse supo-niendo que los núcleos atómicos emitían una partícula neutra mucho más ligera que el protón. Esa partícula portaría la energía que parecía desaparecer por arte de magia en las desintegraciones y, al no tener carga eléctrica, habría pasado inad-vertida en los experimentos. «Admito que tal vez mi solución pueda parecer a priori poco probable», confesaba. «Pero quien no arriesga no gana.»

La idea fue bien acogida por Enrico Fer-mi, quien haciendo uso del sufijo italiano para los diminutivos bautizó la hipotéti-ca partícula como neutrino, en alusión a su pequeñísima masa. Gracias a él, Fermi logró formular la primera teoría de la in-teracción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El físico envió su idea a la prestigiosa revista Natu-

re, que, sin embargo, la rechazó por conte-ner «especulaciones demasiado alejadas de la realidad para ser del interés del lector».

En los 90 años transcurridos desde que Pauli postulase su existencia (pág. 4), los neutrinos han dejado de ser aquella de-sesperada hipótesis alejada de la realidad para convertirse en una pieza clave en la comprensión del universo. A través de al-gunos de los mejores artículos pu blicados en Investigación y Ciencia a lo largo de los últimos 35 años, varios de ellos fir-mados por premios nóbel, el presente monográfico revive algunos de los hitos que han marcado la fascinante historia de esta partícula (págs. 12-49) y muestra su papel protagonista en la investigación actual en física de partículas (págs. 50-

79), astrofísica y cosmología (págs. 80-96).Aunque no fueran tan indetectables

como insinuaba Pauli, los neutrinos no son fáciles de observar. Hubo de pasar un

cuarto de siglo hasta que Clyde Cowan, Frederick Reines y sus colaboradores confirmaran su existencia. El neutrino se reveló esencial para entender las reaccio-nes nucleares, el funcionamiento de las estrellas y la existencia de elementos quí-micos en el universo. A finales de los años sesenta, sin embargo, algo empezó a fa-llar. La cantidad de neutrinos procedentes del Sol que detectaban los experimentos era muy inferior a la que predecían los modelos solares. Tras un rompecabezas que se prolongó tres décadas, la solución llegó con uno de los descubrimientos más sobresalientes de la física de partículas moderna: el hallazgo de que los neutrinos de un tipo podían transformarse espontá-neamente en neutrinos de otro.

La historia de estos acontecimientos se asemeja en ocasiones a un buen relato de

suspense y constituye un magnífico ejem-plo de cómo funciona la ciencia. Buena parte de ella quedó recogida en los artícu-los que en su día publicaron en Investi-

gación y Ciencia algunos de sus protago-nistas (como Hans Bethe, John Bahcall, Takaaki Kajita y Arthur McDonald, entre otros) y que componen la primera parte de este monográfico.

Lejos de solucionar un problema y cerrar una puerta para siempre, la histo-ria de esta partícula continúa escribiéndo-se hoy. El hallazgo de las oscilaciones de neutrinos reveló que el modelo estándar de la física de partículas aún tenía toda una región por explorar: la que dicta con detalle cómo se producen esas transfor-maciones. Su estudio es hoy un campo vibrante y que cuenta con probabilidades reales de deparar sorpresas en un futu-ro cercano. Sus perspectivas en física de partículas y su potencial para explorar el cosmos completan este número.

—La redacción

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«He hecho algo terrible: he postulado una partícula que no se puede detectar»

Detector del Observatorio de Neutrinos de Sudbury (pág. 45).

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Neutrinos 3

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EN PORTADAEn los 90 años transcurridos

desde que Wolfgang Pauli

postulara su existencia, los

neutrinos han pasado de ser

una aventurada hipótesis a

convertirse en una herra-

mienta fundamental para

entender la física nuclear, la

evolución de las estrellas y

el origen de los elementos

químicos. Hoy las incógnitas

que siguen encerrando cons-

tituyen un fecundo campo

de investigación en física

de partículas, astrofísica y

cosmología. Ilustración: Getty

Images/Dr_Microbe/iStock

Neutrinos

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4.o trimestre 2020 · N.o 102

TEMAS

1 Presentación: Una hipótesis fecundaLa redacción

4 Introducción: Un abanico de partículasJeremy Bernstein

HISTORIA DE UN PROBLEMA

14 Así explota una supernovaHans A. Bethe y Gerald Brown

24 El problema de los neutrinos solaresJohn N. Bahcall

34 Detección de la masa de los neutrinosEdward Kearns, Takaaki Kajita

y Yoji Totsuka

42 La resolución del problema de los neutrinos solaresArthur B. McDonald, Joshua R. Klein

y David L. Wark

PARTÍCULAS MUTANTES

52 Mensajeros fantasmales de nueva físicaMartin Hirsch, Heinrich Päs

y Werner Porod

58 Un secreto escrito en el cieloSudeep Das y Tristan L. Smith

60 El enigma de los neutrinosClara Moskowitz

68 Neutrinos ocultosWilliam Charles Louis

y Richard G. Van de Water

76 ¿Producen los reactores nucleares neutrinos estériles?Alejandro Algora y José Luis Taín

LOS NEUTRINOS Y EL COSMOS

82 IceCube: Astrofísica desde el hieloCarlos Pérez de los Heros

92 El papel de los neutrinos en la evolución del universoLicia Verde

94 ¿Por qué hay materia en el universo?Silvia Pascoli y Jessica Turner

4 TEMAS 102

I N T R O D U C C I Ó N

Un abanico de partículas

¿Qué argumentos teóricos llevan a predecir la existencia de una partícula subatómica?

El 4 de diciembre de 1930, Wolfgang Pauli envió una carta a un grupo de físicos que asistían a un simposio en Tubinga. Tras dirigirse a ellos como «queridas damas y caballeros radiactivos», Pauli se disculpaba por no acudir a la conferencia. Bailarín y algo mujeriego, se justificó alegando que un baile le reclamaba en Zúrich. La carta constituye uno de los documentos más sor-prendentes de la física del siglo xx.

A Pauli le preocupaba cierta anomalía observada en la desin-tegración beta. Años antes, el físico neozelandés Ernest Ruther-ford había llevado a cabo un extenso estudio sobre la radiactivi-dad. Había identificado tres tipos de desintegraciones, a las que denominó alfa, beta y gamma. Algunos núcleos pesados, como los de plutonio, se desintegraban emitiendo una partícula alfa, o un núcleo de helio. Otros desprendían rayos gamma, o cuantos muy energéticos del campo electromagnético. Por último, había núcleos que producían una partícula beta: un electrón. Estos mostraban un comportamiento extraño.

La forma más obvia de imaginar el proceso consistía en su-poner que un núcleo padre se transmutaba en un núcleo hijo y un electrón. Por tanto, como consecuencia de las leyes de conservación de la energía y el momento, todos los electrones

emitidos de esa manera debían poseer la misma energía. Los datos experimentales, sin embargo, revelaban todo un abanico de energías. Tal era el rompecabezas que Niels Bohr llegó a proponer que la energía y el momento no se conservaban en la desintegración beta. Pauli, en cambio, opinaba que semejante propuesta carecía de sentido, por lo que propuso una explicación alternativa: sugirió que en la desintegración beta participaba una partícula invisible, la cual se llevaría parte de la energía y el momento. Esa partícula debía ser eléctricamente neutra y tenía que interaccionar muy débilmente con las demás. De esta manera, desaparecería de la escena sin dejar rastro.

Ignoro por completo cómo asimilaron las damas y los caba-lleros radiactivos semejante propuesta. Tampoco queda claro hasta qué punto el propio Pauli se la tomaba en serio, pues nunca llegó a publicarla. Pero Enrico Fermi, en Roma, sí le dio crédito. Ello le permitió formular la primera teoría sobre la desintegración beta. Pauli había denominado «neutrón» a la nueva partícula. En 1932, sin embargo, James Chadwick des-cubrió lo que hoy conocemos con ese nombre: el componente neutro de los núcleos atómicos. Además, en italiano neutrone significa «el gran neutro». Pero la nueva partícula, si existía,

Jeremy Bernstein

La física teórica en el siglo xx se ha caracterizado por la detección de partículas cuya existencia había sido predicha con anterioridad; en ocasiones, con dé-cadas de ante lación. También nos hemos encontra-do con toda suerte de partículas que nadie espera-ba. En esta ocasión, sin embargo, nuestro interés se centrará en cinco partículas pertenecientes al primer

grupo. En orden de modernidad creciente, nos referimos al neutrino, el mesón pi, el antiprotón, los quarks y, por último, el bosón de Higgs. Comencemos por el neutrino.

Neutrinos 5

debía poseer una masa extremadamente pequeña. Así que Fermi decidió llamarla neutrino; es decir, «el pequeño neutro». El nombre cuajó.

La primera vez que tuve noticia del neutrino, allá por los años cincuenta, su papel en la física nuclear resultaba incó-modo, como el pariente loco de la familia al que todos desean ocultar. Esta circunstancia cambió con los reactores nucleares que Fermi construyó durante la guerra. Un reactor opera como una fábrica de elementos fisibles que se desintegran emitiendo partículas beta, por lo que generan ingentes cantidades de neu-trinos. En 1956, los físicos Clyde Cowan y Fred Reines, que por aquel entonces trabajaban en Los Álamos, detectaron un flujo de más de 10 billones de neutrinos por segundo y centímetro cuadrado en las inmediaciones de la central nuclear de Savan-nah River, en Carolina del Sur. Podemos imaginar lo que debió sentir Pauli. Hoy los experimentos con neutrinos son moneda común. Sabemos que existen tres tipos distintos y que poseen una masa diminuta, lo que implica que se mueven a velocidades muy cercanas a la de la luz. Cierto experimento reciente (en su momento muy debatido y ahora ya refutado) pareció indicar que se movían ligeramente más deprisa que la luz, algo que hubiese

contravenido la teoría de la relatividad de Einstein. «Queridas damas y caballeros radiactivos», en efecto.

EL MESÓN PIEn 1909, Ernest Rutherford y dos de sus estudiantes descu-brieron en Manchester el núcleo atómico, la parte del átomo en la que se concentra la mayor parte de su masa. Ello suscitó preguntas sobre la composición de esos núcleos y qué era lo que mantenía unidos a sus componentes. Dado que, en condiciones normales, los átomos carecen de carga eléctrica neta, el núcleo debía contener cargas positivas. Los electrones, dotados de carga negativa, se hallaban distribuidos por todo el átomo, por lo que su carga había de compensarse con las cargas positivas del nú-cleo. Pero estas, a las que se dio en llamar protones, no podían ser el final de la historia. Para explicar la masa de los átomos hacían falta también objetos neutros. Rutherford propuso la ra-zonable sugerencia de que quizás el núcleo contuviese protones y electrones. Pero, en 1930, Pauli y otros investigadores demos-traron que esa idea no se ajustaba a los datos espectroscópicos. El misterio quedó resuelto en 1932, cuando Chadwick descubrió el neutrón. Pero entonces, ¿qué mantenía unido al núcleo?

WOLFGANG PAULI Y NIELS BOHR observan divertidos una peonza en la inauguración de un instituto de física en la ciudad sueca de Lund. El juguete se comportaba de manera distinta a la mayoría de las peonzas: giraba primero en un sentido y después en el opuesto.

Años antes, Pauli había postulado la existencia de una nueva partícula elemental: el neutrino.

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El tamaño de un núcleo atómico es decenas de miles de ve-ces menor que la distancia que lo separa de los electrones más cercanos. Los electrones se ocupan de la química, mientras que el núcleo desempeña la función de un simple espectador. Esta configuración nos indica que la fuerza atractiva entre protones y electrones se deja sentir a muy largas distancias. Pero esa misma fuerza hace que dos protones se repelan, por lo que, si no hubiese una interacción que la contrarrestase, el núcleo se disgregaría. Dicha interacción debía ser mucho más intensa que la fuerza electromagnética, pero de corto alcance. A estas preguntas se enfrentaban los físicos cuando apareció en escena Hideki Yukawa.

Yukawa nació en Tokio en 1907. Su padre enseñaba geología en la Universidad Imperial de Tokio, donde Yukawa estudió y obtuvo el grado de doctor en 1929, justo cuando Japón entraba en depresión. Trabajó como ayudante de un profesor de físi-ca teórica sin recibir por ello paga alguna, mientras continuó viviendo en casa de sus padres. El acceso a las publicaciones académicas le permitía seguir el rápido desarrollo de la teoría cuántica. En 1932, Werner Heisenberg publicó tres artículos sobre las fuerzas nucleares. Como Chadwick, Heisenberg creía que el neutrón era en realidad una partícula compuesta por otras; en concreto, por un protón y un electrón ligados. Eso implicaba que el núcleo atómico contenía electrones. Yukawa, en cambio, pensaba que los neutrones eran partículas elemen-tales, no formadas por otras. Sobre esta idea basó su teoría de las interacciones nucleares.

La descripción más clara de su teoría nos llega de la mano de los diagramas que Richard Feynman habría de concebir años más tarde. Examinemos primero el caso de dos electrones en interacción. La imagen que la electrodinámica cuántica nos brinda de este proceso se corresponde con dos electrones que intercambian un fotón «virtual», una palabra que quiere dar a entender que no podemos detectarlo de manera directa. Las matemáticas que describen dicho intercambio de fotones dan como resultado la misma fuerza repulsiva que, ya en el siglo xviii, postulase el físico francés Charles-Augustin de Coulomb: su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia que media entre los objetos. Ello se debe a que la partícula transmisora, el fotón, carece de masa.

Pero la fuerza electromagnética no puede mantener el nú-cleo unido. Por varias razones: primero, porque es demasiado débil; y segundo, porque provoca que dos protones se repe-lan. Por tanto, Yukawa cambió el fotón por lo que él denominó «un cuanto pesado». Su teoría permitía elegir la intensidad del acoplamiento entre dicho cuanto pesado y los protones, por lo que Yukawa escogió un valor adecuado para que la atracción resultante venciese a la repulsión electromagnética. También la masa del cuanto pesado podía elegirse con libertad. Según las leyes de la mecánica cuántica, cuanto mayor es la masa de la partícula que media una interacción, menor alcance tiene esta. Yukawa conocía el tamaño del núcleo atómico, lo que le permitió deducir que la masa del cuanto intermediario debía

ascender a unas 200 veces la del electrón. En 1934 escribió un artículo en un perfecto inglés que, un año después, vio la luz en una revista académica japonesa de prestigio. Su publicación pasó completamente inadvertida.

El cuanto pesado de Yukawa fue detectado en 1947 en los rayos cósmicos. Con el tiempo, acabó recibiendo el nombre de mesón pi. Existían tres variedades: una neutra, una con carga positiva y otra con carga negativa. Con buena aproximación, su masa se correspondía con la predicha por Yukawa. Las versiones dotadas de carga se desintegraban con rapidez en neutrinos y «mesones mu», como se llamaba entonces a los muones (par-tículas similares al electrón, pero de mayor masa). En 1949, Yukawa se convirtió en el primer japonés galardonado con el premio Nobel. Edward Teller, físico nuclear no precisamente conocido por su habilidad para el verso humorístico, resumió su sorpresa ante el descubrimiento en los siguientes ripios:

Hay mesones pi y hay mesones mu.

Los primeros nos sirven como pegamento nuclear.

Hay mesones tau, o eso sospechamos,

y otros muchos que aún no detectamos.

¿Puedes verlos, acaso?

Bueno, apenas de refilón,porque su vida es breve

y su alcance, escaso.

La masa puede ser poca y puede ser mucha.

Podemos hallar una carga positiva o una negativa.

Y algunos jamás se mostrarán en una placa,

pues su carga es cero, aunque grande es su masa.

¿Cómo? ¿Ninguna carga en absoluto?

No, ninguna en absoluto. O, si Blackett está en lo cierto,

es tremendamente pequeña.

EL ANTIPROTÓNEn 1928, Paul Dirac escribió una ecuación para el electrón que conjugaba la teoría cuántica con la relatividad especial de Eins-tein. Hay quien afirma que se trata de la ecuación más hermosa de la física. Si bien quizá no haga falta llegar tan lejos, la expre-sión sí muestra una gran belleza:

Dirac convino de inmediato en que su ecuación sufría ciertos problemas. Para cada valor del momento del electrón existían cuatro soluciones, pero solo dos de ellas tenían sentido: las otras asignaban al electrón una energía negativa, algo absurdo. Du-rante un par de años, esto condujo a una situación que Pauli calificó de «física a la desesperada». Si el electrón poseía car-ga negativa y quedaba representado por las dos soluciones de energía positiva, entonces las otras dos debían corresponderse con una partícula idéntica al electrón, pero de carga opuesta. En ese momento nació la física de la antimateria. Por aquella época, sin embargo, nadie había observado ningún antielectrón.

∂∂xμ – mc) ψ(xμ) = 0.(iγμ

En numerosas ocasiones, los físicos han predicho la existencia de una partícula subatómica mucho tiempo antes de que esta fuese observada en los experimentos.

Los argumentos para ello han sido de lo más va-riados: desde la conservación del momento, como fue el caso del neutrino, hasta las propiedades de algunos espacios algebraicos.

Tales razonamientos siguen guiando la física de partículas actual. Conocerlos aporta una herra-mienta clave para entender la historia y los princi-pios que rigen la disciplina.

E N S Í N T E S I S